燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君教授與中外科學(xué)家合作，采用高溫高壓技術(shù)成功地合成出硬度超過金剛石單晶的納米孿晶結(jié)構(gòu)立方，論文發(fā)表在2013年1月17日出版的《自然》雜志上。鑒于成果的重要性，《自然》雜志在該期封面和目錄頁(yè)對(duì)田永君等人的論文進(jìn)行了導(dǎo)讀，并配發(fā)了合成樣品的原圖，導(dǎo)讀題目和內(nèi)容“硬時(shí)代：現(xiàn)在立方氮化硼在其極硬態(tài)與金剛石相匹敵”形象而生動(dòng)地介紹了該文。

       上世紀(jì)50年代中葉，科學(xué)家們相繼人工合成了金剛石和立方氮化硼單晶。從此，他們就成為工業(yè)界廣泛使用的超硬材料，在現(xiàn)代加工業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。超硬是指維氏硬度大于40 GPa，而極硬是指維氏硬度大于80 GPa。一直以來(lái)，金剛石號(hào)稱是自然界中最硬的，硬度為60～100 GPa；立方氮化硼次之，硬度為30～43 GPa。由于金剛石的抗氧化溫度低（約600℃）且與鐵基材料反應(yīng)，只能用于陶瓷類材料和鋁、鎂合金的加工。立方氮化硼的抗氧化溫度高（約1100℃）且不與鐵基材料反應(yīng)，因此在鋼鐵材料加工行業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。遺憾的是，人工合成立方氮化硼單晶的硬度還不到金剛石單晶的一半，韌性也差。為此，大幅度提高立方氮化硼材料的硬度和韌性成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同追求。

       近十年來(lái)，田永君教授在國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目、創(chuàng)新群體項(xiàng)目以及多項(xiàng)面上項(xiàng)目的持續(xù)資助下，致力于材料硬度的理論和實(shí)驗(yàn)研究。從化學(xué)鍵入手，2003年提出了共價(jià)晶體硬度的微觀理論，解決了單晶硬度定量預(yù)測(cè)的理論難題。2012年，又將單晶硬度理論進(jìn)行拓展，提出并建立了多晶材料硬度的理論模型。該模型預(yù)言：超細(xì)納米結(jié)構(gòu)可以使現(xiàn)有的硬材料變得超硬，使現(xiàn)有的超硬材料變得極硬。

       在以上理論的指導(dǎo)下，田永君及其合作者首先采用一種具有類似俄羅斯套娃結(jié)構(gòu)的洋蔥氮化硼納米顆粒為原料成功地合成出透明的納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼，硬度達(dá)到108 GPa，超過金剛石單晶。孿晶平均厚度僅為3.8 nm，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)知識(shí)中人們普遍認(rèn)為的材料硬化的下限值，此時(shí)材料不僅沒出現(xiàn)軟化，反而持續(xù)硬化。更可喜的是，材料韌性和抗氧化溫度也同時(shí)得到了明顯提高。

       其次，根據(jù)2012年提出的理論模型，他們認(rèn)為多晶共價(jià)材料的硬化機(jī)制除了大家熟知的霍爾-佩奇效應(yīng)，還有量子限域效應(yīng)的附加貢獻(xiàn)。由此可以斷言：量子限域效應(yīng)帶來(lái)的硬化完全可以補(bǔ)償反霍爾-佩奇效應(yīng)引起的軟化；隨顯微組織尺寸減小，多晶共價(jià)材料可以持續(xù)硬化卻不發(fā)生軟化。該研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了這一論斷，從而突破了人們對(duì)材料硬化機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，為發(fā)展高性能超硬材料指明了方向。如果將這一原理和技術(shù)應(yīng)用于其他材料特別是金剛石，其硬度、韌性和穩(wěn)定性將得到大幅度提高，新的硬度記錄將會(huì)誕生，這將對(duì)世界機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

       《自然》雜志以亮點(diǎn)新聞稿“出類拔萃的超硬材料”向國(guó)際媒體介紹了該項(xiàng)成果，并指出“這個(gè)新材料能夠打開廣泛的工業(yè)應(yīng)用”，迅速引起了廣泛關(guān)注，以德國(guó)國(guó)家電臺(tái)、《科學(xué)美國(guó)人》、“美國(guó)連線”為代表的眾多世界著名媒體和雜志都進(jìn)行了專題報(bào)道，正如美國(guó)連線記者Nathan Hurst指出的那樣：“金剛石是世界上最硬的材料這只是個(gè)誤傳的‘事實(shí)’”。美國(guó)材料研究會(huì)在其Materials360科學(xué)網(wǎng)站上撰文“作為切削工具，新的極硬立方氮化硼挑戰(zhàn)金剛石”，文中指出：“鉆石是永恒的，但作為世界上最硬材料的地位可能受到了挑戰(zhàn)。研究者發(fā)現(xiàn)，通過將特征顯微組織尺寸減小到過去未曾達(dá)到的尺度，立方氮化硼可以達(dá)到極高硬度的新水平。超硬的、韌的和穩(wěn)定的這些特性使立方氮化硼的應(yīng)用甚至可能超過金剛石”。